Oscure e perlopiù leggendarie sono le notizie sui primi cristiani di Rimini. La tradizione vuole che la persecuzione di Diocleziano abbia fatto qui numerosi martiri, fra i quali la quindicenne santa Innocenza, copatrona della città. La stessa tradizione situa il luogo dei supplizi fuori Porta Romana, nei pressi del tempio di Giove, in un'area sepolcrale detta per la sua natura paludosa Lacus maior (donde il toponimo Lagomaggio).
Il Cristianesimo, in effetti, dovette diffondersi a Rimini tra la fine del II e il principio del III secolo. La cattedra episcopale sarebbe stata istituita nel III secolo. Un vescovo di nome Stemnio avrebbe ottenuto da Costantino di convertire il tempio pagano di Ercole in chiesa cristiana e avrebbe intitolato questa, che sarebbe poi diventata la cattedrale, a santa Colomba.
Il concilio di Nicea del 325 si era chiuso con la sconfitta di Ario, la cui dottrina sulla Trinità era stata condannata. Ciò, tuttavia, non aveva posto fine alle dispute. Per comporre il contrasto, nel 359 l'imperatore Costanzo II convoca a Rimini un nuovo concilio, a cui partecipano oltre quattrocento vescovi provenienti da tutte le province occidentali (quelli d'Oriente si riuniscono a Seleucia). Appoggiati dall'imperatore, i seguaci di Ario riescono a raccogliere la stragrande maggioranza dei vescovi su una mozione di compromesso che, di fatto, annulla i deliberati di Nicea. Solo un'esigua minoranza di ortodossi si oppone alle conclusioni del concilio di Rimini. Tra questi irriducibili - appena diciotto - è annoverato il vescovo di Rimini Gaudenzio. Arrestato dal preside dell'imperatore per la sua aperta predicazione antiariana, il 14 ottobre del 360 è linciato da un gruppo di fanatici partigiani di Ario. Va precisato che l'esistenza storica del santo, patrono di Rimini, è ignorata dalle fonti coeve.
Primario nodo stradale, e perciò luogo di passaggio quasi obbligato, Rimini deve sopportare a più riprese l'urto delle invasioni barbariche. Nel 409 vi si accampa il visigoto Alarico, che poi metterà a sacco Roma. Nel 452 Rimini scampa miracolosamente alle orde unne, contro cui schiera - stando a una tradizione non molto solida - tremila uomini. Nel 476 passa per Rimini Odoacre, re degli Eruli, che giunto a Roma deporrà l'ultimo imperatore d'Occidente, Romolo Augustolo. Nel 490 il goto Teodorico scende in Italia e sconfigge Odoacre, che ripara a Ravenna; Teodorico salpa dal porto di Rimini e sbarca a sei miglia da Ravenna: la città, affamata e priva di soccorsi, deve arrendersi. è l'anno 493. Teodorico si proclama re d'Italia e stabilisce a Ravenna la sua corte.

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